OBJECTIVE: Glioblastoma Multiforme (GBM), one of the most malignant forms of primary brain tumors, is characterized by its highly heterogenous genetic composition, aggressive infiltration of surrounding tissue, and resistance to current treatments. Gene expression analysis has characterized GBM into four main types, with a significant portion belonging to the Classical subtype, typified by overexpression and/or mutation of the epidermal growth factor receptor (EGFR). Also common to this subtype of GBM is the loss of crucial tumor suppressor genes Ink4A/ARF and PTEN, which contribute to the invasive nature and unregulated proliferation that underlie the GBM pathology. The high rate of tumor recurrence post treatment with surgical resection, chemotherapy, and radiation has driven the pursuit of more effective molecularly targeted therapies. This study was undertaken to determine the effects of two types of small molecule tyrosine kinase inhibitors on cells overexpressing wild-type EGFR in the context of their respective complements of tumor suppressor genes. METHODS: Several cell lines were established from mouse models of EGFR wild-type (EGFRWT) driven gliomagenesis and treated with 10 μM of type I tyrosine kinase inhibitors Gefitinib (Iressa®, Astra Zeneca), CI-1033 (Canertinib, Pfizer), or Dimethyl Sulfoxide vehicle. Cells were exposed to each drug treatment as part of a time course ranging from 0 to 24 hours and then evaluated by trypan blue exclusion and Western blot analysis for cell viability and molecular and biochemical effects respectively. RESULTS: Evaluation of cell viability indicated that CI-1033 caused a greater increase in cell death than gefitinib when compared to control treated cells regardless of the tumor suppressors lost. Gefitinib was found to cause cell death only in cells expressing the PTEN tumor suppressor whereas CI-1033 showed similar levels of cell death for cells deficient in Ink4A/ARF or both Ink4A/ARF and PTEN tumor suppressors. Western blot analysis revealed that CI-1033 more effectively inhibited EGFR compared to gefitinib. Treatment with both gefitinib and CI-1033 effectively blocked phosphorylation of EGFR, but this effect was less pronounced with gefitinib treatment. Further analysis of downstream signaling molecules showed a greater presence of cleaved caspase 3, a hallmark of apoptosis, in gefitinib treated cells expressing PTEN than in those cells treated with CI-1033. Cells deficient in both Ink4A/ARF and PTEN did not demonstrate any induction of cleaved caspase 3 following either treatment. CONCLUSIONS: Based on the significant differences in cell viability between treatments, CI-1033 is an overall more effective inhibitor of EGFRWT expressing cells lacking PTEN, while gefitinib and CI-1033 were found to be similarly effective in cells expressing PTEN. The results of western blot analysis indicate that total and irreversible EGFR inhibition may be necessary to induce cell death in a manner that effectively terminates downstream cell signaling. It is likely that CI-1033, unlike gefitinib, induces apoptosis in a caspase-independent manner, which may be one of the many differences in downstream effects produced by these two drugs. Further research is necessary to determine the extent to which each inhibitor shuts down proliferative cell signaling pathways such as PI3K-AKT and MEK-ERK signaling pathways downstream of EGFR. Overall, these data indicate that genotype plays an important role in the determination of therapeutic response and may aid in the evaluation of clinical prognoses.

Le facteur de transcription E4F1 fût initialement identifié comme une cible cellulaire de l'oncoprotéine virale E1A au cours de l'infection par l'adénovirus sérotype V. E4F1 est une protéine multifonctionelle essentielle au cours du développement embryonnaire précoce et joue des rôles importants dans l'équilibre entre prolifération/survie de différents types cellulaires, notamment des cellules souches. Au niveau moléculaire, E4F1 possède des activités transcriptionelles intrinsèques mais possède également une activité ubiquitine E3 ligase atypique dirigée contre d'autres facteurs de transcription tel que le suppresseur de tumeur p53. Récemment, il a été démontré qu'E4F1 régule les voies oncogéniques impliquant p53 et Rb qui jouent un rôle essentiel au cours de la sénescence cellulaire. La sénescence, qui est définie par un arrêt irréversible du cycle cellulaire, est considéré comme un mécanisme suppresseur de tumeurs essentiel au cours des phases précoces du développement tumoral. L'objectif de ma thèse a été d'évaluer le rôle d'E4F1 au cours de la sénescence cellulaire. Au travers d'études menées sur des fibroblastes humains primaires et des fibroblastes embryonnaires murins dérivés de souris génétiquement modifiées pour le gène E4F1, j'ai examiné comment la perturbation des activités d'E4F1 module l'initiation ou le maintien de la sénescence prématurée induit par l'oncogène RAS, la déplétion du membre de la famille polycomb Bmi1, ou par les dommages à l'ADN. Mes résultats suggèrent que la déplétion d'E4F1 protège partiellement contre l'induction de la sénescence alors que l'expression ectopique d'E4F1 accélère la sénescence par son implication dans la voie INK4A/ARF-p53. L'ensemble de mes résultats supportent la notion qu'E4F1 est un régulateur important de la sénescence cellulaire. / E4F1 was originally identified as a cellular target of the viral oncoprotein E1A during adenoviral infection. E4F1 is a multifunctional protein that is essential during early embryogenesis and plays important roles in the proliferation/survival balance of different cell types including stem cells. At the molecular level, E4F1 exhibits intrinsic transcriptional activities but also an ubiquitin E3 ligase function that targets other transcription factors, including the p53 tumor suppressor. Recent studies indicate that E4F1 impinge on several pathways, including the Rb and p53 pathways, that are known to influence cellular senescence, an irreversible state of cell cycle arrest that is considered to be an essential tumor suppressor mechanism during early steps of tumorigenesis. The objective of my thesis was to evaluate the roles of E4F1 during cellular senescence. Using human primary fibroblasts and mouse embryonic fibroblasts derived from genetic ally engineered mouse models, I investigated how perturbations of E4F1 activities modulated the initiation or the maintenance of premature senescence induced by oncogenic Ras, depletion of the polycomb member Bmi1 or DNA damage. My results suggest that E4F1 depletion partly protects from the induction of cellular senescence whereas ectopic expression of E4F1 accelerates premature senescence through its implication in the Ink4a/ARF-p53 pathway. Altogether, my results support the notion that E4F1 is an important regulator of cellular senescence.

Retinoblastoma development is a multistep process, and inactivation of the RB1 gene is not sufficient for tumorigenesis. Previous studies suggest that the p53-tumor suppressor is inactivated due to overexpression of p53-antagonists MDM4 and MDM2. This thesis evaluates the importance of ARF, a p53-activator that inhibits MDM2. In retinoblastomas, ARF protein is nearly undetectable despite robust mRNA expression. Chemical inhibition of the proteasome, which regulates ARF protein-turnover, did not result in ARF accumulation in retinoblastoma cells, indicating that ARF protein was not aberrantly degraded by the proteasome. During mouse retinoblastoma development, Arf protein was expressed at low level, and p53-target genes involved in cell cycle arrest and autoregulation were not activated. Overexpression of ARF in retinoblastoma cells led to growth inhibition, accompanied by increased expression of p53 and p53-transcriptional targets. Taken together, our data suggests that low ARF protein is an important factor in silencing of the p53-pathway during retinoblastoma development.

Retinoblastoma development is a multistep process, and inactivation of the RB1 gene is not sufficient for tumorigenesis. Previous studies suggest that the p53-tumor suppressor is inactivated due to overexpression of p53-antagonists MDM4 and MDM2. This thesis evaluates the importance of ARF, a p53-activator that inhibits MDM2. In retinoblastomas, ARF protein is nearly undetectable despite robust mRNA expression. Chemical inhibition of the proteasome, which regulates ARF protein-turnover, did not result in ARF accumulation in retinoblastoma cells, indicating that ARF protein was not aberrantly degraded by the proteasome. During mouse retinoblastoma development, Arf protein was expressed at low level, and p53-target genes involved in cell cycle arrest and autoregulation were not activated. Overexpression of ARF in retinoblastoma cells led to growth inhibition, accompanied by increased expression of p53 and p53-transcriptional targets. Taken together, our data suggests that low ARF protein is an important factor in silencing of the p53-pathway during retinoblastoma development.

L’irradiation (IR) est utilisée dans le traitement de plusieurs cancers et désordres hématologiques, en particulier dans les protocoles de conditionnement précédents les transplantations de moelle osseuse. L’emploi de doses réduites d’IR semble favoriser le succès de la prise de greffe. Cette observation soulève un point de plus en plus discuté dans la littérature, soit l’importance de l’intégrité du microenvironnement pour la transplantation et le bon fonctionnement de l’hématopoïèse. L’IR induit la sénescence des cellules stromales de la moelle osseuse in vitro. Ce mécanisme de défense cellulaire entraînant un arrêt de prolifération permanent est également observé in vivo dans différents systèmes, mais n’a pas encore été étudié dans le contexte de la niche hématopoïétique. Les travaux présentés dans cette thèse ont pour objectif de déterminer si l’IR induit la sénescence des cellules stromales de la moelle osseuse et si une telle induction altère les fonctions hématopoïétiques. Nos résultats ont permis de démontrer pour la première fois qu’une IR corporelle totale induit effectivement la sénescence des cellules stromales de la moelle osseuse. En outre, cette altération du microenvironnement affecte la lymphopoïèse B de façon Ink4a/Arf-dépendante (1er article). De plus, les modifications systémiques qui résultent de l’IR compromettent l’homéostasie osseuse en augmentant la résorption de l’os, sans toutefois diminuer la formation de celui-ci (2e article). Ces données nous permettent de mieux comprendre les effets de la sénescence des cellules stromales de la moelle osseuse sur les fonctions hématopoïétiques. Par ailleurs, elles suggèrent que l’emploi de drogues et/ou de procédés n’induisant pas la sénescence des cellules stromales de l’os offrirait un meilleur pronostic à long terme pour les patients. / Ionizing radiation (IR) is used in the treatment of several cancers and hematological disorders, especially in conditioning regimens for bone marrow transplantation. Reduced doses of IR seem to favor the success of engraftment. This observation supports the growing evidences suggesting the importance of the microenvironment integrity for the success of bone marrow transplantation and hematopoiesis maintenance. IR induces senescence of bone marrow stromal cells in vitro. This defense mechanism which leads to a permanent cell growth arrest is also observed in different organs in vivo but has not yet been studied in the hematopoietic niche. The objectives of this doctoral thesis are to determine whether IR induces senescence of bone marrow stromal cells and whether such induction alters hematopoietic functions. Our results have demonstrated for the first time that total body IR actually induces the senescence of bone marrow stromal cells. Furthermore, this alteration of the microenvironment affects B lymphopoiesis in an Ink4a/Arf-dependent manner (paper #1). In addition, the systemic changes associated with IR compromise bone homeostasis by increasing bone resorption without reducing bone formation (paper #2). All together, these data enhance our knowledge related to the effects of IR-induced senescent bone marrow stromal cells on hematopoietic function. Moreover, our results suggest that using drugs and/or procedures inducing no senescent bone marrow stromal cells would provide a better long-term prognosis for patients.

L’irradiation (IR) est utilisée dans le traitement de plusieurs cancers et désordres hématologiques, en particulier dans les protocoles de conditionnement précédents les transplantations de moelle osseuse. L’emploi de doses réduites d’IR semble favoriser le succès de la prise de greffe. Cette observation soulève un point de plus en plus discuté dans la littérature, soit l’importance de l’intégrité du microenvironnement pour la transplantation et le bon fonctionnement de l’hématopoïèse. L’IR induit la sénescence des cellules stromales de la moelle osseuse in vitro. Ce mécanisme de défense cellulaire entraînant un arrêt de prolifération permanent est également observé in vivo dans différents systèmes, mais n’a pas encore été étudié dans le contexte de la niche hématopoïétique. Les travaux présentés dans cette thèse ont pour objectif de déterminer si l’IR induit la sénescence des cellules stromales de la moelle osseuse et si une telle induction altère les fonctions hématopoïétiques. Nos résultats ont permis de démontrer pour la première fois qu’une IR corporelle totale induit effectivement la sénescence des cellules stromales de la moelle osseuse. En outre, cette altération du microenvironnement affecte la lymphopoïèse B de façon Ink4a/Arf-dépendante (1er article). De plus, les modifications systémiques qui résultent de l’IR compromettent l’homéostasie osseuse en augmentant la résorption de l’os, sans toutefois diminuer la formation de celui-ci (2e article). Ces données nous permettent de mieux comprendre les effets de la sénescence des cellules stromales de la moelle osseuse sur les fonctions hématopoïétiques. Par ailleurs, elles suggèrent que l’emploi de drogues et/ou de procédés n’induisant pas la sénescence des cellules stromales de l’os offrirait un meilleur pronostic à long terme pour les patients. / Ionizing radiation (IR) is used in the treatment of several cancers and hematological disorders, especially in conditioning regimens for bone marrow transplantation. Reduced doses of IR seem to favor the success of engraftment. This observation supports the growing evidences suggesting the importance of the microenvironment integrity for the success of bone marrow transplantation and hematopoiesis maintenance. IR induces senescence of bone marrow stromal cells in vitro. This defense mechanism which leads to a permanent cell growth arrest is also observed in different organs in vivo but has not yet been studied in the hematopoietic niche. The objectives of this doctoral thesis are to determine whether IR induces senescence of bone marrow stromal cells and whether such induction alters hematopoietic functions. Our results have demonstrated for the first time that total body IR actually induces the senescence of bone marrow stromal cells. Furthermore, this alteration of the microenvironment affects B lymphopoiesis in an Ink4a/Arf-dependent manner (paper #1). In addition, the systemic changes associated with IR compromise bone homeostasis by increasing bone resorption without reducing bone formation (paper #2). All together, these data enhance our knowledge related to the effects of IR-induced senescent bone marrow stromal cells on hematopoietic function. Moreover, our results suggest that using drugs and/or procedures inducing no senescent bone marrow stromal cells would provide a better long-term prognosis for patients.

La sénescence est un important mécanisme cellulaire qui prévient la tumorigenèse et se caractérise par un arrêt permanent du cycle cellulaire orchestré principalement par les inhibiteurs des cycline-kinases dépendantes (i.e p16INK4a). La sénescence est une caractéristique importante du vieillissement, mais un déséquilibre dans son induction peut être délétère pour la régénération tissulaire et paradoxalement pour la progression tumorale. L'irradiation (IR) est couramment utilisée comme approche thérapeutique dans le cancer. Chez les enfants survivants du cancer, l’exposition à l’irradiation et à la chimiothérapie entrainent le développement d’importants effets secondaires, lesquels sont associés à une forme de vieillissement prématuré. La formation de cellules sénescentes, en inhibant la prolifération tissulaire et en sécrétant des cytokines proinflammatoires, pourrait être en être responsable. Notre groupe a précédemment démontré que le gène p16INK4a est augmenté de manière tardive (environ 8 semaines) suite à une exposition à l’irradiation. Il n'a pas encore été étudié si cette expression retardée survient en réponse aux dommages causés par l'irradiation sur l’homéostasie tissulaire ou à titre de mécanismes de suppression tumorale. Un objectif de cette thèse visait donc à déterminer s’il était possible de moduler/inhiber l’expression de p16INK4a dans le but d’accroitre la régénération tissulaire sans nécessairement accroitre les risques d’incidence du cancer. En effet, ceci pourrait être possible dans la mesure ou la sénescence induite par p16INK4a est également irréversible in vivo. Nos résultats ont démontré que l’inhibition de l’expression de p16INKa (suite à l’administration de tamoxifen chez les souris p16L/LCre), induit à la fois une augmentation de la régénération tissulaire mais malheureusement également une augmentation de l’incidence du cancer. Nous voulions également connaitre l’impact de l’accumulation de ces cellules sénescentes sur les tissus, plus spécifiquement sur la fonction des cellules immunitaires de la rate. Nous avons démontré que des altérations (dépendantes de p16INK4a) au sein du microenvironnement splénique pouvaient altérer les fonctions intrinsèques des macrophages, des cellules dendritiques et des lymphocytes T. En outre, l'élimination systémique des cellules p16INK4a positives (modèle de sourie p16-3MR) a conduit à une restauration partielle de la fonction de ces cellules immunitaires. La combinaison de ces données nous permet de mieux comprendre le rôle et la fonction du gène p16INK4a dans le processus de sénescence induite par l’irradiation. Nos résultats suggèrent qu’il est envisageable d’utiliser des agents pharmacologiques tels que des composés sénolytiques, capables d’induire l’apoptose chez les cellules sénescentes spécifiquement, afin de potentiellement diminuer les effets du vieillissement prématuré induit par la sénescence cellulaire chez les survivants du cancer. / Senescence is an important cellular mechanism that prevents tumorigenesis and is characterized by a permanent cell cycle arrest orchestrated by cyclin-dependent kinases inhibitors (i.e p16INK4a). Senescence is an important hallmark of aging and unbalanced levels of senescence is considered deleterious for tissue regeneration, and paradoxically for tumor progression. Irradiation (IR) is commonly used therapeutic approach in cancer treatment. Together with surgery and chemotherapy, it has helped to increase the life expectancy of patients and, in some cases, leads to complete remission. However, long-after therapy, children who survive cancer encounter alterations in the integrity of tissues/organs associated with premature aging. The accumulation of senescent cells may be responsible for this accelerated aging by limiting tissue proliferation and secreting pro-inflammatory cytokines. Our group has previously demonstrated that the p16INK4a gene is increased in a delayed manner (approximately 8 weeks) following exposure to IR. It has not yet been investigated whether this delayed expression occurs in response to IR-induce damage of tissue homeostasis or as tumor suppression mechanisms. One objective of this thesis was to determine whether it was possible to modulate / inhibit the expression of p16INK4a in order to increase tissue regeneration without necessarily increasing the risk of cancer incidence. Indeed, this may be possible since p16INK4a-induced senescence is also irreversible in vivo. Our results demonstrated that the inhibition of p16INK4a expression in conditional-p16INK4a null mice , induces both an increase in tissue regeneration but unfortunately also an increase in the incidence of cancer. We also wanted to know the impact of the accumulation of these senescent cells on the tissues, more specifically on the function of the immune cells in the spleen. We have demonstrated that alterations (p16INK4a-dependent) within the splenic microenvironment can alter the intrinsic functions of macrophages, dendritic cells and T cells. In addition, the systemic elimination of p16INK4a positive cells (mouse model p16-3MR) has led to a partial restoration of the function of these immune cells. The combination of these data allows us to better understand the role and function of the p16INK4a gene in the irradiation-induced senescence process. Our results suggest that it is conceivable to use pharmacological agents such as senolytic compounds, capable of inducing apoptosis in senescent cells specifically, in order to potentially reduce the effects of premature aging induced by cellular senescence in cancer survivors.